采煤活動(dòng)對(duì)唐山城市建設(shè)場地穩(wěn)定性的影響分析

杜興明，田小偉，董加強(qiáng)

(河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北滄州 061000)

采煤活動(dòng)對(duì)唐山城市建設(shè)場地穩(wěn)定性的影響分析

杜興明，田小偉，董加強(qiáng)

(河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北滄州 061000)

通過InSAR地表變形監(jiān)測技術(shù)和數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算，采空塌后期場區(qū)地基土的穩(wěn)定性主要取決于采空區(qū)頂部的土體而不是巖體。城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)局部有5層可采煤層，尤其是－200m以下的煤層停采在20世紀(jì)70年代以前，已完全塌落、壓密、再造。而塌后期的土體底部粘土隔水層被拉裂，在雙層水位作用下發(fā)生潛蝕形成土洞造成地面不均勻沉陷，影響城市建設(shè)場地的穩(wěn)定性。

采空塌后期;InSAR監(jiān)測;模型計(jì)算;潛蝕土洞;場地穩(wěn)定性;唐山城市建設(shè)

1 城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤層分布情況

根據(jù)開灤唐山礦的資料［1］，城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)局部有5層可采煤層，其中5、6、8、9煤層賦存于二疊系大苗莊組的砂質(zhì)頁巖，炭質(zhì)頁巖之中，煤12煤層賦存于石炭系趙各莊組的頁巖、砂巖中，各煤層賦存情況見表1。

2 煤層的開采情況

城市規(guī)劃區(qū)在唐山礦5到14開采剖面西北部范圍內(nèi)［2］，歷史上5、8、9、12－1、12－2煤層都曾經(jīng)開采過，開采深度從－100～－700m，煤層產(chǎn)狀從近水平→傾斜→急傾斜→倒轉(zhuǎn)。最大采深約720m;最大累計(jì)采厚約16m;開采時(shí)間為20世紀(jì)20～80年代，最晚停采時(shí)間為1981年(表2)。

表1 各煤層賦存情況表Table 1 Each coal occurrence status

表2 煤層開采情況一覽表Table 2 List of the coal seam mining status

3 采煤塌陷的影響分析

唐山礦停采時(shí)間較長，據(jù)開灤集團(tuán)公司多年對(duì)采煤塌陷觀測和研究，采煤結(jié)束后地表下沉初始時(shí)間為開采過后6～8個(gè)月，活躍期1～1.5a，衰退期1～1.5a，塌陷總移動(dòng)時(shí)間2.5～3a。在唐山城市規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的采礦活動(dòng)已停止近30a，特別是經(jīng)過1976年唐山大地震，巖層內(nèi)部空隙得到重新耦合，應(yīng)力達(dá)到新的平衡，地表已趨穩(wěn)定。

通過近年的地表變形監(jiān)測和理論采空最大沉降量的對(duì)比，評(píng)價(jià)其對(duì)城市建設(shè)場地穩(wěn)定性的影響。

3.1 InSAR調(diào)查與監(jiān)測

對(duì)工作區(qū)分別利用1992～2000年、2004～2006年和2006～2009年的InSAR數(shù)據(jù)資料［3］，利用重復(fù)軌觀測獲取的干涉相位，通過差分處理得到形變相位，進(jìn)而反算形變量，其中1992～2000年的沉降速率為－5.0mm/a左右，累計(jì)沉降量在40mm左右;2004 ～2006年的沉降速率為－7.5～－12.5mm/a，累計(jì)沉降量約在22.5～37.5mm;2006～2009年的沉降速率為－7.5～－10.0mm/a，累計(jì)沉降量約在22.5～30.0mm。通過內(nèi)插法計(jì)算，城市規(guī)劃區(qū)建設(shè)場地1992～2009年最大累計(jì)沉降量約130mm(圖1、2、3)。

3.2 采煤地表沉陷規(guī)律及沉陷計(jì)算

3.2.1 采動(dòng)影響范圍的確定

確定為城市規(guī)劃區(qū)唐山礦5到14開采剖面西北部范圍內(nèi)，其中，增盛煤礦7剖面到14剖面的9煤、12煤，從－248.3m(五水平)到－475m(九水平);劉莊煤礦12號(hào)剖面線至14號(hào)剖面線的9煤、12煤，從－248.3到－299.7(五、六水平)和唐山礦5、8、9、12煤層，從0到－600(11水平)的開采殘余影響。

圖1 1992～2000年唐山市區(qū)地面沉降速率等值線圖Fig.1 The land subsidence rate contour map of urban Tangshan in 1992～2000 1－地面沉降等值線

3.2.2 沉陷預(yù)測模型

城市規(guī)劃區(qū)唐山礦5到14開采剖面西北部范圍內(nèi)，均為急傾斜煤層開采條件，唐山礦、增盛煤礦、劉莊煤礦大多在此區(qū)域采用落垛法。主要表現(xiàn)為急傾斜煤層地質(zhì)開采條件和采煤方法對(duì)巖層移動(dòng)的方式和地表移動(dòng)的形態(tài)具有決定作用。綜合有以下三點(diǎn):

(1)急傾斜地層的陡峭產(chǎn)狀使頂?shù)装鍘r層均可發(fā)生跨落破壞，充填開采空間;

(2)由于急傾斜煤層工作面在水平面上的投影面積小，單一工作面開采在傾向主斷面上一般總是非充分開采，地表的最大下沉值不存在上限，最大下沉值會(huì)隨著開采垂高的增加而不斷增大;

(3)在開采影響區(qū)內(nèi)，沿水平方向分布著高角度的巖層層面，甚至是斷層，它們對(duì)巖層移動(dòng)的傳播方式起到控制作用，受采動(dòng)影響的層間弱面和斷層弱面，其露頭常發(fā)生非連續(xù)變形，易出現(xiàn)裂縫或臺(tái)階式裂縫，這是急傾斜地層普遍的沉陷現(xiàn)象。

城市規(guī)劃區(qū)唐山礦5到14開采剖面西北部范圍內(nèi)，煤層大部分為急傾斜煤層及倒轉(zhuǎn)，可以采用皮爾森Ⅲ型公式法進(jìn)行計(jì)算［4］。在以底板移動(dòng)邊界為坐標(biāo)原點(diǎn)、下山方向?yàn)閄軸的坐標(biāo)系統(tǒng)下，傾向主斷面的下沉和水平移動(dòng)計(jì)算式為:

圖2 2004～2006年唐山市區(qū)地面沉降速率等值線圖Fig.2 The land subsidence rate contour map of urban Tangshan in 2004～20061－地面沉降等值線

1-地面沉降等值線

式中:α——煤層傾角(°);

M——煤層厚度(m);

H1，H0，dH——下邊界采深、平均采深、階段垂高(m);

圖3 2006－2009年唐山市區(qū)地面沉降速率等值線圖Fig.3 The land subsidence rate contour map of urban Tangshan in 2006－20091－地面沉降等值線

λ0，β0——底板，頂板邊界角(°);

Ka——下沉影響系數(shù);

La——下沉盆地全長(m);

a1，a2，a3——下沉盆地系數(shù);

b0，b1，b2，b3——水平移動(dòng)系數(shù);

B=b0La;i(x)——主斷面傾斜變形。

據(jù)此可進(jìn)行地表下沉盆地傾向主斷面上的移動(dòng)變形值計(jì)算。

急傾斜煤層沿走向方向的變形iy、Ky、Uy、εy采用上述概率積分法計(jì)算公式。

對(duì)單一工作面開采引起的地表任意點(diǎn)P的下沉w、沿某一方向的傾斜il、曲率kl、水平移動(dòng)ul、水平變形εl，當(dāng)煤層傾角小于或等于55°時(shí)，采用概率積分法的數(shù)學(xué)模型為:

m——煤層采厚(m);

α——煤層傾角(°);

A——引起地表移動(dòng)變形的有效面積即考慮拐點(diǎn)偏移后的計(jì)算面積(km2);

Q——下沉系數(shù);

b——水平移動(dòng)系數(shù);

θ——開采影響傳播角(°);

K——開采影響傳播系數(shù);

Hs——積分變量s處的采深(m)(不隨t變化);

x，y——地表點(diǎn)P在工作面局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，x指向上山方向，y平行于走向方向，由x軸順時(shí)針轉(zhuǎn)90°得到;Ost坐標(biāo)系和Oxy坐標(biāo)系的原點(diǎn)重疊;

Ψ——x與l方向的夾角(°)。

其中充分開采的最大下沉值Wmax改用開采急傾斜煤層(非充分采動(dòng))的最大下沉值W0max。

上面各式是單一工作面開采對(duì)地表任意一點(diǎn)P的移動(dòng)與變形的計(jì)算公式，由多個(gè)工作面(包括煤層傾角小于等于55°或大于55°的急傾斜煤層)引起地表點(diǎn)P(x，y)的移動(dòng)與變形值是各單一工作面影響值的代數(shù)和［5］:

在上述各式中:

Wi—第i個(gè)工作面的下沉值;

ix、iy、Kx、Ky、Sxy、ux、uy、εx、εy、γxy—分別是第i個(gè)工作面沿上山方向和走向的移動(dòng)變形值;

φ:第i個(gè)工作面上山方向到l方向的夾角(°);

(X，Y):地表P點(diǎn)的礦區(qū)坐標(biāo);

(x，y):地表點(diǎn)P在第i個(gè)工作面中的局部坐標(biāo)。

(X，Y)與(x，y)的關(guān)系為:

φ是第i個(gè)工作面的上山方向角。

3.2.3 計(jì)算參數(shù):

開灤礦區(qū)自20世紀(jì)50年代開始著手地表移動(dòng)觀測工作。到目前為止，累計(jì)建立60余個(gè)各種不同類型的地表移動(dòng)觀測站，共設(shè)觀測線150余條，布測點(diǎn)5100余個(gè)，取得了大量豐富的觀測成果，部分成果被收錄在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中。唐山礦設(shè)站進(jìn)行過地表移動(dòng)觀測和綜合分析，為開采沉陷的預(yù)計(jì)提供了依據(jù)。根據(jù)唐山礦多條觀測站的實(shí)測巖移資料綜合分析所得:

Ka下沉影響系數(shù):0.03;

a1，a2，a3典型曲線系數(shù):a1:10.323 a2:4.609 a3: 12.587;

走向水平移動(dòng)系數(shù):0.34;

傾向水平移動(dòng)系數(shù):0.7;

歸算系數(shù):1.6;

重復(fù)采動(dòng)系數(shù):n1=1.1;

水平移動(dòng)歸算系數(shù):q=1.6;

頂板邊界角:53°;底板邊界角:30°走向邊界角:66°

3.2.4 采煤沉陷量預(yù)測

經(jīng)過分析唐山礦和小煤窯的開采資料及結(jié)合礦井20a的長遠(yuǎn)規(guī)劃，經(jīng)過模型計(jì)算，城市規(guī)劃區(qū)唐山礦5到14開采剖面西北部范圍內(nèi)，最終地表變形結(jié)果如下:最大地面下沉Wmax=455mm;最大水平移動(dòng)εmax=±0.6mm/m。

4 結(jié)論

通過InSAR地表變形監(jiān)測和數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算的采空區(qū)最大沉降量比較，1992～2009年InSAR地表變形監(jiān)測累計(jì)沉降量最大在130mm左右，遠(yuǎn)小于煤層全部采空后的最大沉降量455mm。因此，采空區(qū)的巖體塌落或巖體壓縮小于450mm，并且在相當(dāng)范圍內(nèi)均勻沉降，對(duì)小跨度的擬建構(gòu)筑物影響較小。但采空區(qū)破碎巖體頂部的松散土體將發(fā)生潛蝕形成土洞，對(duì)擬建構(gòu)筑物形成威脅。

通過InSAR地表變形監(jiān)測和數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算，場區(qū)地基土的穩(wěn)定性主要取決于采空區(qū)頂部的土體而不是巖體。因?yàn)閹r體的卸荷、崩塌、壓密，根據(jù)開灤多年對(duì)采煤塌陷觀測和研究，采煤結(jié)束后地表下沉初始時(shí)間為開采過后6～8個(gè)月，活躍期1～1.5a，衰退期1～1.5a，塌陷總移動(dòng)時(shí)間2.5～3a。場區(qū)內(nèi)所有的采礦活動(dòng)都停止在3年以上，尤其是－200m以下的煤層停采在20世紀(jì)70年代以前，已完全塌落、壓密、再造。而塌后期的土體底部粘土隔水層被拉裂，在雙層水位作用下發(fā)生潛蝕形成土洞造成地面不均勻沉陷。

城市規(guī)劃區(qū)唐山礦5到14開采剖面西北部范圍內(nèi)，采空區(qū)塌陷地質(zhì)災(zāi)害勘查與治理的主要目標(biāo)應(yīng)針對(duì)土體，尤其是基巖頂部粘土隔水層的修補(bǔ)與防漏，將是唐山城市建設(shè)場地地基穩(wěn)定性的決定性因素。

致謝本文得到了開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司鄧志毅博士和國土資源部航空遙感中心葛大慶工程師的幫助，在此表示感謝。

［1］開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司2003年度礦產(chǎn)(煤炭)資源儲(chǔ)量檢測報(bào)告［R］.唐山:開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，2003.

［2］河北省地勘局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì).唐山市南湖區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告［R］.滄州:河北省地勘局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，2007.

［3］國土資源部航空遙感中心.唐山市南湖區(qū)域多期InSAR數(shù)據(jù)解譯報(bào)告［R］.北京:國土資源部航空遙感中心，2007.

［4］吳一川，王炳立.關(guān)于《三下采煤規(guī)程》應(yīng)用中的幾個(gè)問題和意見［J］.河北煤炭，1990(03):58－59.

［5］李文秀.煤礦開采巖體移動(dòng)分析的Fuzzy數(shù)學(xué)模型［J］.河北煤炭，1990(03):44－45.

Abstract:By InSAR surface deformation monitoring technology and mathematical model of theoretical calculation，it was found that the stability of ground depended largely on the soil rather than rock of the mined-out area top at the mined-subside later stage.There were five layers of local coal seam at the Urban planning area.Mining the coal seam of below－200m had stopped before 1970’s，thus the seam has been completely，recycled and collapsed.The impermeable clay layer at the bottom of the soil pulled cracking at the mined－subside later stage.It came into being latency-erosion action and soil caves，introducing an uneven land subsidence on the effect of double groundwater levels.The uneven land subsidence has affected the stability of urban construction area in Tangshan.

Key words:mined-subside later stage;inSAR monitoring technology;model calculation;latency-erosion soil cave;the stability of ground;Tangshan urban construction

Analysis on the impact of coal mining on the stability of construction area in Tanshan City

DU Xing-ming，TIAN Xiao-wei，DONG Jia-qiang
(The 4th Hydrogeology Group of Hebei Bureau of Geological Development，Cangzhou061000，China)

1003-8035(2010)03-0082-05

P642.5

A

2010-03-23;

2010-03-29

杜興明(1959—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究工作。

E-mail:dxm858@yahoo.cn